Номер 2, страница 337 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Как включается транзистор в электрическую цепь?

1. Как устроен транзистор?
Транзистор (в частности, биполярный транзистор) — это полупроводниковый прибор, состоящий из трёх областей с разным типом проводимости, которые образуют две p-n-перехода. В зависимости от чередования слоёв, транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n.
Структура транзистора включает три элемента:
1. Эмиттер (Э) — область, предназначенная для инжекции (впрыскивания) носителей заряда в базу. Эмиттер легируется (насыщается примесями) сильнее всего, чтобы обеспечить высокую концентрацию основных носителей заряда.
2. База (Б) — средняя, очень тонкая область, которая управляет потоком носителей заряда от эмиттера к коллектору. База имеет слабую степень легирования.
3. Коллектор (К) — область, предназначенная для сбора (коллекционирования) носителей заряда, прошедших через базу. Коллектор имеет самую большую площадь для эффективного отвода тепла, выделяющегося при работе прибора.
Каждая из этих областей имеет свой вывод (контакт) для подключения в электрическую цепь. Вся эта полупроводниковая структура помещается в защитный корпус (пластиковый или металлический) с тремя выводами.

Ответ: Транзистор представляет собой трёхслойную полупроводниковую структуру типа p-n-p или n-p-n, имеющую три вывода от каждой области: эмиттера, базы и коллектора. Эмиттер сильно легирован, база — очень тонкая и слабо легирована, а коллектор имеет большую площадь для сбора носителей заряда и отвода тепла.

2. Как включается транзистор в электрическую цепь?
Транзистор является трёхэлектродным прибором, поэтому для его включения в четырёхполюсную цепь (два входа, два выхода) один из его выводов делают общим для входной и выходной цепей. Существует три основные схемы включения транзистора:
1. Схема с общим эмиттером (ОЭ): Входной сигнал подаётся на цепь база-эмиттер, а выходной снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эта схема является наиболее распространённой, так как она обеспечивает усиление и по току, и по напряжению, что даёт наибольшее усиление мощности.
2. Схема с общей базой (ОБ): Входной сигнал подаётся на цепь эмиттер-база, а выходной снимается с цепи коллектор-база. Эта схема не даёт усиления по току (коэффициент усиления близок к 1), но усиливает напряжение. Используется в основном в высокочастотных устройствах.
3. Схема с общим коллектором (ОК) или эмиттерный повторитель: Входной сигнал подаётся на цепь база-коллектор, а выходной снимается с цепи эмиттер-коллектор. Эта схема имеет коэффициент усиления по напряжению, близкий к 1, но даёт значительное усиление по току. Применяется для согласования сопротивлений (как буферный каскад).
Для работы транзистора в режиме усиления его необходимо правильно запитать постоянными напряжениями (установить рабочую точку). Для этого эмиттерный переход смещают в прямом направлении (открывают), а коллекторный — в обратном (закрывают).

Ответ: Транзистор включается в цепь по одной из трёх схем: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или с общим коллектором (ОК), в зависимости от того, какой из его выводов является общим для входной и выходной цепи. Для работы в усилительном режиме эмиттерный переход должен быть открыт, а коллекторный — закрыт.

3. На чём основана способность транзистора усиливать электрические сигналы?
Способность транзистора усиливать электрические сигналы основана на возможности управления большим током в одной цепи (цепи коллектора) с помощью малого тока в другой цепи (цепи базы). Рассмотрим этот процесс на примере транзистора n-p-n в схеме с общим эмиттером.
1. На эмиттерный переход (база-эмиттер) подаётся небольшое прямое напряжение смещения, что вызывает небольшой ток базы $I_Б$. Этот ток является управляющим.
2. Под действием прямого смещения электроны (основные носители в эмиттере n-типа) в большом количестве инжектируются из эмиттера в тонкую область базы p-типа.
3. Поскольку база очень тонкая и слабо легирована, лишь очень малая часть (1-2%) этих электронов успевает рекомбинировать с дырками (основными носителями в базе). Эта рекомбинация и создаёт ток базы $I_Б$.
4. Основная масса электронов (98-99%), не успев рекомбинировать, достигает коллекторного перехода (база-коллектор). Этот переход смещён в обратном направлении, и его сильное электрическое поле "подхватывает" электроны и переносит их в область коллектора.
5. Поток этих электронов создаёт в цепи коллектора большой ток $I_К$, который во много раз превышает управляющий ток базы. Связь между токами выражается формулой: $I_К = \beta \cdot I_Б$, где $\beta$ — коэффициент усиления тока базы, который для большинства транзисторов составляет от 50 до 500.
Таким образом, небольшое изменение входного (базового) тока или напряжения, вызванное слабым сигналом, приводит к значительно большему, но пропорциональному изменению выходного (коллекторного) тока. Протекая через сопротивление нагрузки в цепи коллектора, этот большой ток создаёт на нём большое падение напряжения, что и означает усиление исходного сигнала по напряжению и мощности. Энергия для усиления берётся от источника питания, подключенного к цепи коллектора.

Ответ: Способность транзистора к усилению основана на том, что малый ток, протекающий в цепи базы, управляет значительно большим током в цепи коллектора. Небольшие изменения входного сигнала на базе вызывают большие пропорциональные изменения тока в выходной цепи, что и приводит к усилению сигнала по току, напряжению и мощности.